JP2012011585A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及びインクジェット印刷装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吐出口(51,52)を有する圧力室(53,54)と、圧力室(53,54)に液体を供給する供給流路(60,62)と、圧力室(53,54)に対応して設けられた吐出エネルギー発生手段(65,66)と、を備えた吐出要素(41,42)が複数配置され、各吐出要素(41,42)から吐出させた液(76)で被描画媒体上の同一画素が記録される。組になった各吐出要素(41,42)の吐出動作特性は同等であり、各吐出エネルギー発生手段(65,66)は、共通の信号線(73)に接続され、同一の駆動信号が同時に印加される。圧力室(53,54)はジョイント流路(55)を介して接続され、複数の吐出口(51,52)は、当該ヘッド(40)と被描画媒体の相対移動方向に並んで配置される。
【選択図】図3
Description
本発明の実施形態を説明する前に、まず、従来のインクジェットヘッドの構成を説明し、その技術的課題を整理する。
圧力室の固有振動数(共振周波数)を高い値に保ちつつ、大滴を吐出する構成を検討した。圧力室、及びノズル等の寸法は、3pLを150kHzで吐出可能なインクジェットヘッド(図1)の設計を元に、吐出体積6pLを実現し、出来るだけ高い共振周波数にし、さらに、インクのリフィルが間に合うようにし、かつ、吐出に際し不要な振動を抑えるように必要な部分を変更する。もし、この形状を元に、6pLを3pLと同等の滴速で吐出しようとすると、図2に示すようなヘッド構成となる。図2中、図1と同一又は類似の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
そこで、本発明の実施形態では、前述した圧力室の共振点を高く保ち、かつ、吐出液滴の体積を大きくするために、同一画素を複数の吐出要素(図3では2つの吐出要素)で描画する構成が採用されている。
L∝l/S ・・・(式2)
よって、図1のように、供給流路20と循環流路22の寸法が等しい場合、供給流路20と循環流路22を合わせた供給路抵抗、イナータンスは、それぞれ単体の場合の1/2、2倍であるので、式1、式2から連立方程式を解くと、図3の第1供給流路60、第2供給流路(循環流路)62それぞれの断面積を4倍、長さを8倍とすると、第1供給流路60、第2供給流路(循環流路)62それぞれの供給路抵抗、イナータンスは、供給流路20と循環流路22を合わせた供給路抵抗、イナータンスと等しくなる。
図3に示した流路設計におけるインク循環動作は以下のようになる。非吐出時には、第1供給流路60から一方の圧力室(図3の右側に示した第1圧力室53)にインクがゆっくり流れ込み、ジョイント流路55を通って他方の圧力室(図3の左側に示した第2圧力室54)に流れ、さらに第2供給流路(循環流路)62から出ていく。このインク流量は、インクの組成によって適正値は異なるが、例えば、本例で用いる水性インクの場合、各ノズルあたり、数百〜数千pL/秒で、ノズル近くのインクの増粘現象を抑制する効果がある。
に供給流路、ジョイント流路の接続部を設ける態様が好ましい。
図3に示した実施形態の構成では、図1で説明した3pL用の小口径ノズルを各圧力室(53,54)にそれぞれ1つ、合計2つ設けているので(図3中の符号51、52)、図2で説明した6pL用の大口径ノズルを1つ設ける構成と比較して、メニスカスの大きさが小さくなるため、メニスカス表面張力が大きくなり、リフィル共振周期が短くなってともに向上し、インクリフィル性能が上がる。
図4は、図3に示した2つの吐出要素41、42の対を備えたインクジェットヘッドの断面図である。第1圧力室53は第1供給流路60を介して供給側の共通液室(供給共通流路)84に接続されている。同様に、第2圧力室54は第2供給流路62を介して循環側の共通液室(循環共通流路)86に接続されている。このような流路構造は、シリコン(Si)をエッチングして、流路部となる溝、孔等を形成することよって作製可能である。
図5は、組になった2つの吐出要素の配置例を模式的に示した平面図である。図5中、図3の構成と同一又は類似の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図7は組になった吐出要素(図3の符号41,42)の吐出口の形状例を示した図である。図7(a)に示すように、それぞれのノズル(51,52)は、円形の開口であってもよいし、図7(b)のように半円形の構成とし、2つのノズル(51,52)が対となって略円形を形成する構成でもよい。
また、図9に示すように、第1吐出要素41の吐出口(第1ノズル51)と第2吐出要素42の吐出口(第2ノズル52)とにまたがる単一のノズル部90を形成する形態も可能である。ノズル部90の内部に、隔壁92が配置され、当該隔壁92を挟んで第1ノズル51と第2ノズル52が形成される。
本実施形態によれば、同一画素を形成する複数の吐出要素を1系統の電気配線で駆動し、高い駆動周波数で大きな液滴体積を吐出するインクジェットヘッドを提供することができる。
図3等で詳述した本発明の実施形態に係る構成では、液滴の吐出方向を精度良く、意図した方向にするために、各吐出要素の特性、精度が揃っていることが望ましい。ここでいう特性とは吐出要素全体の共振周波数、圧力室の寸法、ノズルの寸法、形状、アクチュエータの変位体積(排除体積)、インク供給路の寸法である。これらが誤差を持っていると、各吐出要素のノズルから吐出される液滴の速度、体積、吐出タイミングがずれて、液滴の体積がずれるのみならず、吐出方向がずれることになる。
図13、図14に示した可動壁(隔壁92)を具備するインクジェットヘッドは、例えば、シリコン(Si)をエッチングして作成される。その際、当該隔壁92を可動させる構造とするために、壁部92C及び蛇腹状の曲面部92A、92Bは、当該隔壁92の上下に存在する圧力室の床及び天井部分と、僅かな隙間を持って作られる。この隙間は、エッチングにより容易に作ることができる。
図15は、描画記録時にアクチュエータに印加される駆動信号の電圧波形(駆動波形)の一例を示す波形図である。ここでは、説明を簡単にするために、いわゆる引き−押し(pull-push)型の駆動波形を例示する。ただし、本発明の実施に際しては、駆動波形の形態は特に限定されず、引き押し引き(pull-push-pull)波形その他の各種の駆動波形を用いることができる。
上述した本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを用いたインクジェット印刷装置の例について説明する。
給紙部112には、枚葉紙である記録媒体124が積層されており、給紙部112の給紙トレイ150から記録媒体124が一枚ずつ処理液付与部114に給紙される。本例では、記録媒体124として、枚葉紙(カット紙)を用いるが、連続用紙(ロール紙)から必要なサイズに切断して給紙する構成も可能である。
処理液付与部114は、記録媒体124の記録面に処理液を付与する機構である。処理液は、描画部116で付与されるインク中の色材(本例では顔料)を凝集させる色材凝集剤を含んでおり、この処理液とインクとが接触することによって、インクは色材と溶媒との分離が促進される。
描画部116は、描画ドラム(「描画胴」或いは「ジェッティング胴」とも言う)170、用紙抑えローラ174、及びインクジェットヘッド172M,172K,172C,172Yを備えている。描画ドラム170は、処理液ドラム154と同様に、その外周面に爪形状の保持手段(グリッパー)171を備える。描画ドラム170に固定された記録媒体124は、記録面が外側を向くようにして搬送され、この記録面にインクジェットヘッド172M,172K,172C,172Yからインクが付与される。
乾燥部118は、色材凝集作用により分離された溶媒に含まれる水分を乾燥させる機構であり、図16に示すように、乾燥ドラム(「乾燥胴」とも言う)176、及び溶媒乾燥装置178を備えている。乾燥ドラム176は、処理液ドラム154と同様に、その外周面に爪形状の保持手段(グリッパー)177を備え、この保持手段177によって記録媒体124の先端を保持できるようになっている。
定着部120は、定着ドラム(「定着胴」とも言う)184、ハロゲンヒータ186、定着ローラ188、及びインラインセンサ190で構成される。定着ドラム184は、処理液ドラム154と同様に、その外周面に爪形状の保持手段(グリッパー)185を備え、この保持手段185によって記録媒体124の先端を保持できるようになっている。
図16に示すように、定着部120に続いて排紙部122が設けられている。排紙部122は、排出トレイ192を備えており、この排出トレイ192と定着部120の定着ドラム184との間に、これらに対接するように渡し胴194、搬送ベルト196、張架ローラ198が設けられている。記録媒体124は、渡し胴194により搬送ベルト196に送られ、排出トレイ192に排出される。搬送ベルト196による用紙搬送機構の詳細は図示しないが、印刷後の記録媒体124は無端状の搬送ベルト196間に渡されたバー(不図示)のグリッパーによって用紙先端部が保持され、搬送ベルト196の回転によって排出トレイ192の上方に運ばれてくる。
図17は、インクジェット印刷装置100のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット印刷装置100は、通信インターフェース270、システムコントローラ272、プリント制御部274、ヘッドドライバ278、モータドライバ280、ヒータドライバ282、処理液付与制御部284、乾燥制御部286、定着制御部288、メモリ290、ROM292、エンコーダ294等を備えている。
上記実施形態では、記録媒体124に直接インク滴を打滴して画像を形成する方式(直接記録方式)のインクジェット印刷装置を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、一旦、中間転写体上に画像(一次画像)を形成し、その画像を転写部において記録紙に対して転写することで最終的な画像形成を行う中間転写型の画像形成装置についても本発明を適用することができる。
上述の実施形態では、停止したヘッドに対して記録媒体を搬送する構成を例示したが、本発明の実施に際しては、停止した記録媒体(被描画媒体)に対してヘッドを移動させる構成も可能である。
上記の実施形態では、グラフィック印刷用のインクジェット印刷装置への適用を例に説明したが、本発明の適用範囲はこの例に限定されない。例えば、電子回路の配線パターンを描画する配線描画装置、各種デバイスの製造装置、吐出用の機能性液体として樹脂液を用いるレジスト印刷装置、カラーフィルター製造装置、マテリアルデポジション用の材料を用いて微細構造物を形成する微細構造物形成装置など、液状機能性材料を用いて様々な形状やパターンを描画するインクジェットシステムに広く適用できる。
本明細書は以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
し、1画素のドットを形成する。
Claims (23)
- 液体が充填される圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給するための供給流路と、前記圧力室に対応して設けられた吐出エネルギー発生手段と、前記吐出エネルギー発生手段の駆動によって発生させた吐出力により前記圧力室内の液を外部に吐出させるための吐出口と、を有する吐出要素が複数配置されて一組の記録素子単位が構成され、当該組になった前記複数の吐出要素の各吐出口から吐出させた液を被描画媒体上の同一画素に付着させて描画を行う液体吐出ヘッドにおいて、
前記組になった各吐出要素の吐出動作特性は同等であり、
これら組になった各吐出要素に対応して設けられた各吐出エネルギー発生手段は、共通の信号線に接続され、当該各吐出エネルギー発生手段に対して、前記共通の信号線を介して同一の駆動信号が同時に印加されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1において、
前記組になった複数の吐出要素の各圧力室に対し、同じ組成の液体が供給されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1又は2において、
前記吐出エネルギー発生手段として、前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータが用いられ、前記組になった複数の吐出要素の各圧力室に設けられた前記各アクチュエータの排除体積が互いに等しいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至3のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素は、各圧力室の共振周波数が等しいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至4のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素の圧力室間を連通させるジョイント流路を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項5において、
前記圧力室に前記供給流路が接続されている部分と、該圧力室に前記ジョイント流路が接続されている部分は、当該圧力室の平面視における略対角位置、又は最も遠く離れた位置に設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項5又は6において、
前記組になった複数の吐出要素の各圧力室に接続されている供給流路のうち、少なくとも1つは、非吐出動作時に圧力室内の液体を循環させるための循環流路として用いられることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至7のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素における2つの吐出要素の吐出口は、描画動作時における前記被描画媒体と当該液体吐出ヘッドの相対的な移動方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至8のいずれか1項において、
前記吐出口は、円形、楕円形、半円形、楕円の短軸で切断した半楕円形、又は四角形であることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素における各吐出口にそれぞれメニスカスが形成されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素に対して単一のノズル部が形成され、当該組になった複数の吐出要素における各吐出口が前記ノズル部の内側に収容され、これら複数の吐出口から出た液滴が前記ノズル部で合一し、前記ノズル部から合一滴として吐出されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至11のいずれか1項において、
前記組になった複数の吐出要素における各吐出口から押し出された液は、前記被描画媒体に到達するまでの間に合一し、被描画媒体上に着弾することを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至12のいずれか1項において、
前記組になった吐出要素は2つであり、これら2つの吐出要素が鏡対称、又は回転対称な形態で配設されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至12のいずれか1項において、
前記組になった吐出要素は3以上であり、これら複数の吐出要素が回転対称な形態で配設されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至12のいずれか1項において、
前記組になった吐出要素は4以上の偶数であり、これら複数の吐出要素は、回転対称な形態で配設した吐出要素と、鏡対称な形態で配設した吐出要素から構成されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至15のいずれか1項において、
前記組になった吐出要素同士は、各圧力室間を仕切る壁部材の少なくとも一部が前記吐出エネルギー発生手段の発生する吐出力によって変形し得ることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項16において、
前記壁部材の変形する部分の一部に、ひだ状の曲面部が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至17のいずれか1項において、
前記吐出エネルギー発生手段は、圧電体を用いたアクチュエータであり、各吐出要素に対応した前記アクチュエータの圧電体は、圧力室毎に個々に分離されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至17のいずれか1項において、
前記吐出エネルギー発生手段は、圧電体を用いたアクチュエータであり、各吐出要素に対応した前記アクチュエータの圧電体は、少なくとも、同じ組の各吐出要素間で一体的につながっていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至17のいずれか1項において、
前記各圧力室及び前記各供給流路を含む流路部分は、シリコンを加工して形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1乃至20のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記吐出エネルギー発生手段に印加する前記駆動信号を生成し、前記液体吐出ヘッドの吐出動作を制御する駆動制御回路と、を備えた液体吐出装置であって、
前記駆動信号の波形は、吐出動作によって先に押し出された主滴と、その後方部の副滴とが飛翔中に合一するように、主滴の滴速よりも副滴の速度を速める駆動波形となっていることを特徴とする液体吐出装置。 - 請求項21において、
前記駆動波形は、副滴としてメニスカスから分離する液が前記吐出口付近を通過する際に、当該液を押し出す方向に前記吐出エネルギー発生手段を駆動する波形要素を有していることを特徴とする液体吐出装置。 - 請求項1乃至20のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド、又は請求項21若しくは22に記載の液体吐出装置を用いたことを特徴とするインクジェット印刷装置。
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